大视场高分辨力星载成像光谱仪光学系统设计_薛庆生

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1、第３１卷第８期光学学报Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．８２０１１年８月ＡＣＴＡＯＰＴＩＣＡＳＩＮＩＣＡＡｕｇｕｓｔ，２０１１大视场高分辨力星载成像光谱仪光学系统设计薛庆生黄煜林冠宇（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３）摘要大视场、高分辨力星载成像光谱仪已成为空间遥感的迫切需求。根据大视场、高分辨力的研究目标，提出了先视场分离分光再用分色片分光的设计方法，分析了视场分离分光的原理。设计了一个全反射式星载成像光谱仪光学系统，该系统由指向镜、１１．４２°远心离轴三反消像散（ＴＭＡ）前置望远系统和４个Ｏｆｆｎｅｒ凸面光栅光谱成像系统组成，通过恰当选择４个

2、光谱成像系统的变倍比来实现２种探测器的匹配。运用光学设计软件ＣＯＤＥＶ对成像光谱仪调制系统进行了光线追迹和优化，并对设计结果进行了分析。分析结果表明，光学系统在各个谱段的光学传递函数均达到０．７以上，完全满足设计指标要求；同时证明了设计方法是可行的。关键词光学设计；成像光谱仪；离轴三反消像散；凸面光栅；Ｏｆｆｎｅｒ光谱成像系统中图分类号Ｏ４３３．１；ＴＨ７４４．１文献标识码Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＯＳ２０１１３１．０８２２００１ＯｐｔｉｃａｌＳｙｓｔｅｍＤｅｓｉｇｎｏｆＷｉｄｅ－ＡｎｇｌｅａｎｄＨｉｇｈ－ＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＳｐａｃｅｂｏｒｎｅＩｍａｇｉｎ

3、ｇＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒＸｕｅＱｉｎｇｓｈｅｎｇＨｕａｎｇＹｕＬｉｎＧｕａｎｙｕ（ＣｈａｎｇｃｈｕｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓ，ＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｊｉｌｉｎ１３００３３，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＳｐａｃｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｕｒｇｅｎｔｌｙｒｅｑｕｉｒｅｓｗｉｄｅ－ａｎｇｌｅａｎｄｈｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓｐａｃｅｂｏｒｎｅｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｆｗｉｄｅ

4、ａｎｇｌｅａｎｄｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｆｉｒｓｔｌｙｄｉｖｉｄｉｎｇｆｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗ（ＦＯＶ）ａｎｄｓｅｃｏｎｄｌｙｄｉｖｉｄｉｎｇｂｅａｍｕｓｉｎｇｄｉｃｈｒｏｓｃｏｐｅｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．ＴｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｄｉｖｉｄｉｎｇＦＯＶｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅｓｐａｃｅｂｏｒｎｅｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆａｐｏｉｎｔｉｎｇｍｉｒｒｏｒ，ａ１１．４２°ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃｏｆｆ－ａｘｉｓｔｈｒｅｅ－ｍｉｒｒｏｒａｎａ

5、ｓｔｉｇｍａｔｉｃ（ＴＭＡ）ｔｅｌｅｓｃｏｐｅａｎｄｆｏｕｒＯｆｆｎｅｒｃｏｎｖｅｘｇｒａｔｉｎｇｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅｐｒｏｐｅｒｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｓｃｈｏｓｅｎｆｏｒｅａｃｈｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍｔｏｍａｔｃｈｔｗｏｔｙｐｅｓｏｆｄｅｔｅｃｔｏｒｓ．ＲａｙｔｒａｃｉｎｇａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｂｙＣＯＤＥＶｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ（ＭＴＦ）ｆｏｒ

6、ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｅｃｔｒａｌｂａｎｄｓｉｓｍｏｒｅｔｈａｎ０．７，ｗｈｉｃｈｓａｔｉｓｆｉｅｓｔｈｅｐｒｅ－ｄｅｓｉｇｎｅｄｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｏｖｅｄｔｏｂｅｆｅａｓｉｂｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ；ｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ；ｏｆｆ－ａｘｉｓｔｈｒｅｅ－ｍｉｒｒｏｒａｎａｓｔｉｇｍａｔｉｃ；ｃｏｎｖｅｘｇｒａｔｉｎｇ；ＯｆｆｎｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍＯＣＩＳｃｏｄｅｓ２２０．４８３０；１２０．４８２０；２８０．４７８８１引言波段覆盖０．４～２．５μｍ，地面

7、像元分辨力从几米至成像光谱仪是２０世纪８０年代开始在多光谱遥几十米，光谱分辨力从几纳米至几十纳米。目前国感成像技术的基础上发展起来的新一代空间光学遥际上已研制成功的成像光谱仪，具有代表性的有美［７］感仪器，它标志着遥感技术的进步和发展，能够以高国ＴＲＷ公司研制的Ｈｙｐｅｒｉｏｎ，视场０．６２４°，刈光谱分辨力获取景物和目标的超多谱段图像，在陆幅宽度７．５ｋｍ；美国海军ＮＥＭＯ卫星的主载荷［８］地、大气和海洋观测中正得到广泛的应用［１～６］。ＣＯＩＳ，视场２．５°，刈幅宽度３０ｋｍ；英国Ｓｉｒａ公司［９］研制的ＣＨＲＩＳ，视场角０．５５３°，刈幅宽度１３ｋｍ。成

8、像光谱仪的工作波段宽、分辨力高，一般工